La matrice extracellulare

La matrice extracellulare nel sistema nervoso centrale

La matrice extracellulare (ECM, extracellular matrix), chiamata anche sostanza fondamentale, è formata da una complessa rete di molecole organiche. Si trova all'esterno cellula - STRUTTURA DELLE CELLULE EUCARIOTE" class="text">delle cellule e - oltre a svolgere una funzione cementante tra le cellule e i tessuti - forma un'intelaiatura ben organizzata all'interno della quale le cellule sono libere di spostarsi e di interagire tra loro. La matrice extracellulare si trova, al di sotto degli epiteli, in forma di membrana basale; essa contiene collagene di tipo IV° e, come componente principale, la laminina, una glicoproteina di grandi dimensioni. Nel sistema nervoso periferico le membrane basali sono presenti all'interno dei tubi endoneuronali dei nervi, sotto alle meningi, all'interfaccia tra l'endotelio dei capillari e i processi di astroglia (o di cellule ependimali).

Nel sistema nervoso centrale adulto dei mammiferi le lamine basali sono assenti, e la matrice extracellulare è presente sotto altra forma. Essa, in questo timento, presenta una gran quantità di proteoglicani, mentre sono presenti poche glicoproteine. Al contrario lo SNC embrionale è ricco di glicoproteine.

La membrana basale ha un ruolo importante nella rigenerazione dei tessuti danneggiati: essa fornisce un'impalcatura attraverso la quale le cellule che si stanno rigenerando possono orientarsi cosicché l'architettura originale del tessuto possa riformarsi. Nel sistema nervoso periferico, per esempio, in seguito ad una lesione gli assoni dei neuroni che sopravvivono si rigenerano e si dirigono verso i tessuti bersaglio reinnervandoli. Ciò non accade invece nel sistema nervoso centrale, dove la membrana basale non è presente. La matrice extracellulare comunque presenta altre interessanti peculiarità oltre a quelle prettamente meccaniche.

Essa, anche se non organizzata come membrana basale, possiede numerose molecole di adesione che intervengono durante i processi di rigenerazione degli assoni del sistema nervoso periferico e presumibilmente sono o saranno importanti anche per quanto riguarda la neurorigenerazione centrale. L'azione di queste molecole - per quanto riguarda il sistema nervoso periferico - è fondamentale per la motilità del cono di accrescimento del neurone, il quale necessita di poter aderire ad un substrato per generare le forze contrattili che permettano la formazione di un assone in grado di allungarsi (168). Negli ultimi anni sono state identificate numerose molecole di adesione cellulare (CAMs) e proteine di adesione della matrice extracellulare ed i loro recettori (169). L'interesse per queste molecole è dovuto al fatto che esse sono presumibilmente coinvolte in maniera importante nei meccanismi di regolazione e di controllo nei processi di neurorigenerazione. Elencheremo ora alcuni componenti della matrice extracellulare.

Molecole di adesione cellulari (CAMs)

Tra esse ricordiamo la famiglia delle immunoglobuline. Filogeneticamente la più antica è la molecola di adesione cellulare neuronale (N-CAM) (169).Nel sistema nervoso periferico l'espressione e la distribuzione delle isoforme di N-CAM nel nervo e nel muscolo cambiano dopo lesione nervosa evidenziando un ruolo di N-CAM nella ricrescita assonale nello SNP così come nella reinnervazione muscolare (170).

Glicoproteine della matrice extracellulare

I costituenti molecolari della matrice extracellulare sono collagene, glicoproteine e glucosaminoglicani che sono costituenti dei proteoglicani. Le glicoproteine contengono carboidrati sotto forma di numerose catene oligosaccaridiche, relativamente brevi (non più di 15 residui monosaccaridici), ramificate e di composizione variabile. Esiste una gran variabilità di isoforme di queste molecole che originano da diverse combinazioni di geni (splicing, assemblaggio di subunità eccetera). Sono state evidenziate molte proteine della matrice extracellulare che interagiscono con il sistema nervoso tra cui la glicoproteina associata alla mielina, la N-CAM (171), l'agrina (172), la proteina b-amiloide e il suo precursore (173).

Non tutte le funzioni delle proteine della matrice extracellulare sono in relazione con la loro proprietà di adesione. La laminina ad esempio ha effetti sulle cellule che sono simili a quelli del nerve growth factor (NGF) (174). Essa stimola anche la mitosi delle cellule di Schwann, la sopravvivenza neuronale, la mielinizzazione periferica e la differenziazione di epiteli pigmentati in cellule nervose (175). La funzione delle cellule di Schwann nel processo di rigenerazione del nervo periferico è alquanto importante, infatti, esse interagiscono con gli assoni che si stanno rigenerando: la rimozione delle cellule di Schwann inibisce la rigenerazione nel sistema nervoso centrale, tuttavia le cellule di Schwann non solo mediano la crescita assonale tramite le CAMs, ma anche tramite le proteine della matrice extracellulare, che esse stesse sintetizzano e assemblano costituendo le membrane basali.  Risulta quindi evidente che le molecole della matrice extracellulare contribuiscano a stimolare la neurorigenerazione anche se le tappe specifiche del processo sono ancora da caratterizzare con precisione.

I proteoglicani

I proteoglicani (PGs) sono un gruppo diversificato di macromolecole presenti nella matrice extracellulare e sulla superficie delle cellule, che sono variamente espressi nel sistema nervoso. Queste molecole hanno un ruolo importante nella regolazione del differenziamento cellulare, nei processi di crescita, nella genesi di sinapsi e sono co-recettori per numerosi fattori di crescita (176). Sono costituite da una proteina, che funge da struttura portante, alla quale sono legati covalentemente, presso i residui di serina, dei glucosaminoglicani (GAGs).

I proteoglicani si possono trovare come molecole della matrice extracellulare, sia "semplice" sia organizzata come membrana basale, cui conferiscono proprietà specifiche in virtù della loro alta carica negativa (177). I proteoglicani si trovano anche come molecole intracellulari (178) o come proteine integrali di membrana (179). A livello neuronale i proteoglicani sono stati localizzati nelle vicinanze dei recettori per l'acetilcolina (180), sulla superficie cellulare dove è presente l'acetilcolinesterasi (181), a livello della giunzione neuromuscolare ed anche nelle sinapsi dello SNC (182). Studi in vitro hanno dimostrato che i proteoglicani del tipo condroitin-solfato inibiscono i legami omofilici tra molecole di adesione cellulare (CAMs) e tra queste e i neuroni. Questi risultati suggeriscono che essi possano agire come molecole in grado di modulare le interazioni cellula-cellula e cellula-matrice, modificando i poteri di adesione (183). I proteoglicani quindi potrebbero essere indispensabili per permettere i movimenti, le divisioni e il differenziamento cellulari nell'ambito del sistema nervoso in via di sviluppo.

I proteoglicani eparan-solfati sono associati con la membrana basale e la membrana plasmatica (184). Essi comprendono, tra gli altri, il glipicano che tramite un glicofosfatidilinositolo di membrana è legato alla superficie cellulare. Il glipicano si lega alle cellule di Schwann e fa da ponte reversibile con laminina e fibronectina (185, 186). E' noto che la mielinizzazione degli assoni da parte delle cellule di Schwann in vitro dipende dal contatto delle cellule di Schwann con la lamina basale. L'eparan-solfato può essere quindi il mediatore del legame tra queste cellule e la lamina basale, e le interazioni di questo proteoglicano con la laminina probabilmente svolgono un ruolo importante nella disposizione delle cellule di Schwann intorno all'assone (187).

E' stato dimostrato che alcuni fattori trofici e di crescita come il FGF (fibroblast growth factor) si legano alla membrana basale per mezzo di un legame con proteoglicani di tipo eparan-solfato. Questo suggerisce che la matrice extracellulare serva da serbatoio di fattori di crescita e trofici leganti l'eparina. Il legame ai fattori trofici è importante perché può modulare la loro attività mediante la regolazione sia della diffusione locale sia dei livelli di molecole libere capaci di interagire con i loro specifici recettori (188, 189). In questo modo i proteoglicani agiscono anche da modulatori indiretti della traduzione del segnale, mediato dai recettori presenti sulla superficie della cellula. Queste interazioni con la matrice extracellulare possono influenzare la funzione, all'interno del sistema nervoso, dei fattori neurotrofici e dimostrano inoltre come i proteoglicani possono agire sullo sviluppo precoce del sistema nervoso (184). I proteoglicani sono anche in grado di influenzare lo sviluppo del sistema nervoso: l'espressione di proteoglicani eparan-solfati sia nei neuroni sia a livello degli astrociti è fortemente associata alla genesi degli assoni (190).E' noto, infatti, che una riduzione della sintesi dei proteoglicani è correlata con una ridotta capacità di formare gli assoni. Gli eparan-solfati possono anche stimolare la crescita degli assoni attivando altre proteine come la laminina (190) e il N-CAM (191).

I glucosaminoglicani

I glucosaminoglicani (GAGs) sono costituiti da una catena non ramificata ottenuta dalla ripetizione di un disaccaride, contenente sempre almeno un aminosaccaride (N-acetil-glucosamina o N-acetil-galattosamina). Possiedono un elevato numero di cariche negative, dovuto alla presenza di gruppi solforici e carbossilici (184). In base ai residui che compongono l'unità disaccaridica, al tipo di legame esistente tra i residui e al numero e alla posizione degli ioni solfato, sono stati identificati sette gruppi di GAGs: l'acido ialuronico (l'unico gruppo in cui nei monomeri non sono presenti gruppi solfato), il condroitin-4-solfato, il condroitin-6-solfato, il dermatansolfato, l'eparan-solfato, l'eparina e il cheratan-solfato (192).

E' stato evidenziato che l'utilizzo contemporaneo di diversi tipi di glucosaminoglicani, opportunamente dosati, determina un incremento dell'espressione dei mRNA di tutte le neurotrofine (193). I GAGs, oltre a promuovere la rigenerazione dei nervi periferici, sono anche in grado di stimolare la reinnervazione muscolare (194) tramite il legame con molti fattori di crescita (195, 196, 197) e l'efficacia di questi può risultare aumentata (198).  Recentemente è stato dimostrato che i glucosaminoglicani inibiscono la degradazione dell'IGFBP-5 (insulin-like growth factor binding protein-5) (199).Questa proteina lega l'insulin-like growth factor-I (IGF-I) ed è presente nella matrice extracellulare. Quest'effetto prolunga l'emivita dell'IGF-I aumentandone la disponibilità locale e favorendone il legame con il suo recettore. Tutti questi risultati suggeriscono che i glucosaminoglicani possano promuovere la sopravvivenza neuronale e la crescita degli assoni o agendo direttamente o alimentando la biosintesi dei fattori di crescita (194).